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Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie viel der auf die Zelle fallenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei uns erfahren Sie, welche Werte für Photovoltaik-Module üblich sind, was den Wirkungsgrad beeinflusst und welche Grenzen es gibt.

Photovoltaik Wirkungsgrad: Das Wichtigste in Kürze

  • Moderne Solarmodule erreichen Wirkungsgrade von 18 bis 24 %.
  • Die Performance Ratio liegt bei gut geplanten Anlagen typischerweise bei rund 80 %.
  • Optimale Ausrichtung, geringe Verschattung, kühle Temperaturen und regelmäßige Wartung maximieren den Energieertrag.

Was ist der Wirkungsgrad bei Photovoltaik?

 

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt das Verhältnis zwischen einfallendem Sonnenlicht und dem tatsächlich erzeugten Stromertrag. Er gibt an, wie viel Prozent der auf die Photovoltaik-Anlage treffenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Bei aktuellen Solarmodulen liegt dieser Wert zwischen 18 % und 24 %. Es wird also etwa ein Fünftel bis ein Viertel der Sonnenstrahlung tatsächlich als nutzbarer Strom verfügbar.

Letztendlich gibt der Wirkungsgrad an, wie effizient eine PV-Anlage arbeitet. Je höher der Wert, desto mehr Strom kann auf der gleichen Fläche erzeugt werden. Besonders bei begrenztem Platzangebot ist das ausschlaggebend.

 

Was ist die Performance Ratio?

Die Performance Ratio beschreibt das Verhältnis zwischen dem tatsächlich erzielten Energieertrag einer Photovoltaik-Anlage und dem theoretisch erreichbaren Maximalwert.

  • Sie zeigt auf, welchen Anteil des möglichen Potenzials die Anlage unter realen Bedingungen tatsächlich ausschöpft.
  • Sie wird als Prozentwert ausgedrückt.
  • Sie berücksichtigt alle realen Einflussfaktoren auf den Energieertrag.

 

Hinweis!

Laut dem Fraunhofer ISE erreicht eine moderne Photovoltaik-Anlage Performance-Ratio-Werte von 80 bis 90 % im Jahresmittel. Die Kennzahl berücksichtigt bereits alle Verluste durch erhöhte Betriebstemperatur, ungünstige Einstrahlungsbedingungen, Verschmutzung, Verschattung sowie Wandlungsverluste im Wechselrichter.

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Wie wird der Wirkungsgrad von PV ermittelt?

Der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Modulen wird unter standardisierten Laborbedingungen ermittelt, um vergleichbare und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Diese Messungen erfolgen nach den sogenannten Standard Test Conditions (STC).

Dabei gilt:

  • Zelltemperatur: konstant 25 °C
  • Strahlungsstärke: 1.000 Watt pro Quadratmeter
  • Air Mass (Luftmasse): 1,5 (entspricht einem bestimmten Sonnenspektrum)

Im Labor werden die Solarmodule mit speziellen Sonnensimulatoren bestrahlt, die das natürliche Sonnenspektrum nachbilden. Dabei wird die elektrische Leistung des Moduls gemessen, während die angeschlossene Last schrittweise erhöht wird.

An einem bestimmten Punkt erreicht das Modul seine maximale Leistung (Pmpp – Maximum Power Point), bevor Strom und Spannung bei weiterer Lasterhöhung einbrechen.

 

Der Wirkungsgrad wird mit der griechischen Formel η (Eta) berechnet:
η = P (Solarstrom) / P (Sonnenenergie)


  • In dieser Formel steht P (Solarstrom) für die vom Modul erzeugte elektrische Leistung am Maximum Power Point, gemessen in Watt.
  • P (Sonnenenergie) bezeichnet die eingestrahlte Sonnenenergie, die bei den Standardbedingungen 1.000 W/m² beträgt, multipliziert mit der Modulfläche.

 

Beispielrechnung:

  • Ein Solarmodul mit 2 m² Fläche erzeugt unter STC eine Leistung von 400 Watt.
  • Die eingestrahlte Sonnenenergie beträgt 2 m² × 1.000 W/m² = 2.000 Watt.
  • Der Wirkungsgrad beträgt somit: η = 400 W / 2.000 W = 0,2 = 20 %

 

Wirkungsgrad von Solarzellen: Übersichtstabelle

 

Verschiedene Solarzellentypen erreichen unterschiedliche Wirkungsgrade. Neben der Effizienz unterscheiden sie sich auch in Preis, Haltbarkeit und Anwendungsbereichen.

Hier ein Überblick über die typischen Wirkungsgrade der wichtigsten Solarzellentypen:

Art der Solarzelle

Typischer Wirkungsgrad

 Besonderheiten

Monokristalline Solarzellen
20 % - 23 % Höchste Effizienz, erkennbar an der einheitlich schwarzen Farbe
Polykristalline Solarzellen
17 % - 20 %
Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, bläuliche Färbung
Dünnschicht-Solarzellen
6 % - 10 % Flexibel einsetzbar, geringes Gewicht
CIGS-Module ca. 15 % Gute Leistung bei diffusem Licht und höheren Temperaturen

 

Warum ist der Wirkungsgrad von Photovoltaik begrenzt?

 

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist durch physikalische und technische Grenzen beschränkt. Selbst unter idealen Bedingungen können Solarzellen nicht die gesamte Sonnenenergie in Strom umwandeln.

  • Solarzellen können nur Licht mit bestimmten Energieniveaus effektiv nutzen.
  • Photonen mit zu geringer Energie können keine Elektronen anregen.
  • Bei zu energiereichen Photonen geht überschüssige Energie als Wärme verloren.

 

Ein grundlegendes Problem liegt in der sogenannten Bandlücke des Halbleitermaterials. Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, können nur Photonen mit einer Energie, die mindestens der Bandlücke entspricht, Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband anheben und so Strom erzeugen. Photonen mit geringerer Energie werden nicht absorbiert.

  • Gleichzeitig wird bei Photonen mit höherer Energie als der Bandlücke nur genau die Energie der Bandlücke genutzt.
  • Die überschüssige Energie wird als Wärme abgegeben.
  • Solche spektralen Verluste sind unvermeidbar bei Solarzellen mit einem einzelnen pn-Übergang.

 

Zusätzlich strahlt die Solarzelle selbst aufgrund ihrer Temperatur Energie ab (Wärmestrahlung). Diese Faktoren zusammen führen zur sogenannten Shockley-Queisser-Grenze, die den theoretisch maximalen Wirkungsgrad einer Einfach-Solarzelle auf etwa 30–40 % begrenzt, je nach verwendetem Halbleitermaterial.

 

Schon gewusst?
Um die physikalische Grenze zu überwinden, entwickeln Forscher Mehrfachsolarzellen (auch Tandemzellen genannt). Diese kombinieren mehrere pn-Übergänge mit unterschiedlichen Bandlücken, sodass ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts effizient genutzt werden kann.


Allerdings sind solche Hochleistungszellen derzeit noch sehr teuer und kommen hauptsächlich in Spezialanwendungen wie der Raumfahrt zum Einsatz.

 

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Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad von Photovoltaik?

Die Ausrichtung, die Verschattung und die Temperatur beeinflussen den Wirkungsgrad.

 

Ausrichtung und Neigung der Module

Die richtige Ausrichtung sorgt dafür, dass möglichst viel Sonnenlicht auf die Module trifft.

  • Optimale Ausrichtung in Deutschland: Südlich
  • Idealer Neigungswinkel: 30-35° für maximalen Jahresertrag
  • Flache Neigungswinkel begünstigen den Sommerertrag, steilere den Winterertrag

 

Verschattung der Module

Bei der Planung der PV-Anlage sollten Sie bereits darauf achten, welche Objekte in der Umgebung Schatten auf die Solarmodule werfen könnten.

  • Selbst kleine Teilverschattungen können die Leistung drastisch reduzieren
  • Typische Schattenquellen: Bäume, Schornsteine, Antennen, Nachbargebäude

 

Temperatureinflüsse

Anders als oft vermutet erzeugen Solarmodule an kühlen, sonnigen Frühlingstagen in vielen Fällen mehr Strom als an heißen Sommertagen.

  • Solarzellen arbeiten bei kühlen Temperaturen effizienter
  • Die optimale Betriebstemperatur liegt bei etwa 25 °C
  • Eine gute Hinterlüftung der Module reduziert Temperaturverluste

 

Wartung und Reinigung

Eine regelmäßige Reinigung der Solarmodule erhält den optimalen Wirkungsgrad.

  • Staub, Pollen, Vogelkot und Laub auf den Modulen senken die Leistung
  • In Regionen mit regelmäßigen Niederschlägen reicht oft die natürliche Reinigung
  • Kontrolle auf Beschädigungen und Degradationserscheinungen
  • Überprüfung der elektrischen Verbindungen und Kabel

Wie hoch ist der Photovoltaik-Wirkungsgrad nach 20 Jahren?

 

Nach 20 Jahren Betriebszeit garantieren die meisten Hersteller noch eine Leistung von mindestens 85 % des Ausgangswerts, manche auch 90 %.

Solarmodule verlieren mit der Zeit etwas an Leistung. Dieser natürliche Alterungsprozess wird als Degradation bezeichnet und beeinflusst den Wirkungsgrad über die Betriebsdauer einer Photovoltaik-Anlage.

 

Was passiert bei der Degradation?

  • Die Leistung der Module nimmt über die Jahre langsam ab.
  • Es handelt sich um einen normalen Prozess bei allen Solarmodulen.
  • Verschiedene Umwelteinflüsse wie UV-Strahlung und Temperaturwechsel sind die Ursache.

 

Der Leistungsverlust verläuft allerdings sehr langsam und ist gut kalkulierbar. Die Hersteller berücksichtigen die Degradation bereits in ihren Produktgarantien.

In der Praxis zeigt sich, dass viele Solarmodule noch besser abschneiden als die garantierten Werte. Selbst nach 20 Jahren Betrieb auf dem Dach wandeln sie Sonnenlicht noch sehr effizient in Strom um.

 

Wie wichtig ist ein maximaler Wirkungsgrad?

Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet grundsätzlich mehr Stromertrag pro Quadratmeter Modulfläche. Das ist besonders wertvoll bei begrenztem Platzangebot auf dem Dach.

Er ist wichtig für die Auswahl von Solarmodulen, aber sollte nicht das alleinige Entscheidungskriterium sein. Der angegebene maximale Wirkungsgrad bezieht sich auf ideale Testbedingungen.

  • Diese Optimalbedingungen (25 °C, perfekte Einstrahlung) werden in Deutschland selten erreicht.
  • Entscheidend ist vielmehr die Leistung unter realen Bedingungen.

 

In der Praxis sind die tatsächlichen Wetterbedingungen meist weit von den Laborbedingungen entfernt. Bewölkung, diffuses Licht und schwankende Temperaturen prägen den Alltag einer Photovoltaik-Anlage in Deutschland.

Weitere wichtige Faktoren neben dem Wirkungsgrad sind:

  • Schwachlichtverhalten: Wie gut arbeitet das Modul bei bewölktem Himmel?
  • Wärmeverhalten: Wie stark sinkt die Leistung bei hohen Temperaturen?
  • Kosten pro Watt: Oft sind Module mit etwas niedrigerem Wirkungsgrad wirtschaftlicher
  • Langfristige Effizienz: Wie stabil bleibt die Leistung über die Jahre?
  • Qualität und Zuverlässigkeit: Garantiebedingungen und Hersteller

 

Die Effizienz der gesamten Photovoltaik-Anlage ist von allen Komponenten abhängig, vor allem vom Wechselrichter. Er wandelt den Gleichstrom der Module in nutzbaren Wechselstrom um. Moderne Wechselrichter erreichen Wirkungsgrade von bis zu 98 %, aber auch hier gibt es Qualitätsunterschiede.

Photovoltaik Wirkungsgrad: Unser Fazit

 

Der Wirkungsgrad ist wesentlich für die Bewertung von Photovoltaik-Anlagen, aber auch nur ein Teil des Gesamtbildes. Moderne Solarmodule erreichen heute hohe Effizienzwerte und werden stetig weiterentwickelt, um mehr Sonnenenergie in nutzbaren Strom umzuwandeln.

Für die Praxis ist entscheidend, wie gut eine Photovoltaik-Anlage unter realen Bedingungen arbeitet und wie wirtschaftlich sie über ihre gesamte Lebensdauer ist. Hier sind neben dem reinen Wirkungsgrad viele weitere Aspekte zu berücksichtigen.

Um das volle Potenzial der Sonnenenergie für eine Solaranlage für zu Hause oder eine Solaranlage für das Unternehmen zu nutzen, bieten wir Ihnen eine professionelle Beratung. Unsere Experten helfen Ihnen gerne bei der Planung und Installation einer maßgeschneiderten Photovoltaik-Anlage, die optimal auf Ihre Bedürfnisse und die Gegebenheiten vor Ort abgestimmt ist.

Wissen

Häufig gestellte Fragen

Was ist der maximale Wirkungsgrad von Photovoltaik?

Der maximale theoretische Wirkungsgrad für herkömmliche Silizium-Solarzellen liegt bei etwa 33,7 % (Shockley-Queisser-Grenze). Im Labor wurden mit Mehrfachsolarzellen bereits Wirkungsgrade von über 40 % erreicht.

Was ist der Wirkungsgrad von Solarthermie?

Solarthermische Anlagen erreichen deutlich höhere Wirkungsgrade als Photovoltaik, typischerweise zwischen 60 % und 80 %. Dies liegt daran, dass bei der Solarthermie die Sonnenenergie direkt in Wärme umgewandelt wird, nicht in Strom.

Wie effizient ist Photovoltaik im Winter?

Photovoltaik-Anlagen arbeiten auch im Winter effizient, erreichen aber geringere Erträge als im Sommer. Die kühleren Temperaturen verbessern zwar den Wirkungsgrad der Module, jedoch überwiegt der Effekt der kürzeren Tage und des flacheren Sonnenstands. Im Winter werden typischerweise 20 bis 30 % der sommerlichen Erträge erzielt.